基于有源功率因數校正的計算機開關電源設計

趙 勝

(河北北方學院，河北張家口075000)

計算機作為一種現代社會不可缺少的電子設備，它的使用已經深入到千家萬戶。人們在使用計算機時，往往更為關注的是CPU的使用效率、內存的大小、顯卡及硬盤的性能等因素，很少有人在意計算機電源的工作狀況是否令人滿意。其實，如果說CPU等元件是計算機的大腦和軀體的話，那么，計算機電源恰恰是他們的心臟，功能是為計算機的各個部分提供相應的“動力”資源。因此，計算機電源工作的穩定性直接關系到計算機系統的工作狀態，所以了解計算機電源的內部結構，熟悉電源的工作原理，才能更好地維護計算機電源，從而從根本上保障計算機設備長時間穩定地工作。

1 計算機電源的發展歷程及工作原理

電源是一種能量轉換設備，對于計算機來說，電源將市電的220 V電壓轉換為計算機所需要的各種低電壓強電流的直流電，以供計算機各部分進行使用。對于計算機電源來說，它的工作過程分為兩步：第一步是市電220 V經過全橋整流轉變為高電壓的脈沖直流電，再經過電容濾波以后成為高壓直流電；第二步是把從次級線圈的高頻低壓交流電通過整流濾波轉換為能為電腦工作的低電壓強電流的直流電。因此，目前計算機電源主要由高壓整流濾波電路、開關電源、低壓整流濾波電路等主要部分組成。

構成計算機電源的主要組成部分是開關電源，開關電源效率高、成本低，因此在各個領域都獲得了廣泛的應用。但是開關電源由于輸入阻抗呈容性，網側輸入電壓和輸入電流間存在較大相位差，網側輸入電流嚴重非正弦，并呈尖脈沖狀，并包含了大量的諧波，致使系統功率因素下降，影響系統的工作和使用，還會給電網造成嚴重的諧波污染。

1983年，IBM公司推出了個人的PC/XT計算機電源的標準，接著又推出了PC/AT機。因此，AT電源應運而生，可以支持+5.0，+12，-5，-12 V電壓，能提供的最高功率為192 W，這種結構目前已不適應于PC機的發展而遭到了淘汰。

其后發展的是ATX電源，ATX電源與AT電源的主要區別為：(1)待機狀態不同。ATX電源增加了輔助電源電路，只要220 V市電輸入，無論是否開機，始終輸出一組+5 V SB待機電壓，供PC機主板電源監控單元、網絡通信接口、系統時鐘芯片等使用，為ATX電源啟動作準備。(2)電源啟動方式不同。AT電源采用交流電源開關直接控制電源的通斷，ATX電源則采用點動式電源啟閉按鈕，實質是用PS-ON直流控制信號啟動/關閉電源。具有鍵盤開/關機、定時開/關機、Modem喚醒遠程開/關機、軟件關機等控制功能。(3)輸出電壓不同。AT電源共有四路輸出(±5、±12 V)，另向主板提供一個PG電源準備就緒的信號。ATX電源PW-0K信號與PG信號功能相同，還增加了+3.3、+5 V SB供電輸出和PS-ON電源啟閉控制信號，其中+3.3 V向CPU、PCI總線供電。各檔電壓的輸出電流值大約如下：+5、+12、－5、－12、+3.3、+5 V SB；21、6、0.3、0.8、14、0.8 A。(4)主板綜合供電插頭接口不同。AT電源的6芯P8和P9電源插頭，在ATX結構中被20芯雙列直排插頭所替代，具有可靠的防插反裝置。對于Pentium 4機型的ATX電源，除大4芯(D形)和小4芯電源接口插頭外，還增加4芯12 V CPU專用電源插頭及6芯+3.3、+5 V電源增強型插頭。

ATX開關電源由交流輸入整流濾波電路、輔助電源電路、脈寬調制控制電路、半橋功率變換電路、PS-ON和PW-OK產生電路、自動穩壓與保護控制電路、多路直流穩壓輸出電路等組成。計算機電源大多采用他激雙管半橋定頻調寬式開關電源，其利用以兩種類型的專用控制芯片為中心來構成PWM發生器。一類是電壓型脈寬調制芯片，如TL494、SG3534、SG3525、TDA1060、SG6105等；另一類是電流型脈寬控制芯片，如UC3842、UC3843、TDA8130等。這兩類功率開關，無論是哪一種，相應的晶體管在開關狀態工作時，它產生的交流電壓和電流會通過電路中的其他元器件產生尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾如果不采取一定的措施進行抑制、消除和屏蔽，就會嚴重影響整機的正常工作。因此，對ATX開關電源進行有效地諧波治理和功率因數的校正，才能保證計算機系統安全、可靠地運行。

2 功率因數校正原理及相關校正電路

目前，由于計算機電源應用了開關電源，所以它電網側的功率因數僅為0.6左右。為了提高計算機電源的運行效率，提高電源的功率因數已經成為電源研制的當務之急。而采取一定的方式對計算機電源進行功率因數校正后，可提高至0.95~0.99，這樣既可以治理電網的諧波污染，又可以提高開關電源的整體效率。

功率因數(PF)是指交流輸入有功功率(P)與輸入視在功率(S)的比值。要想實現功率因數的校正，一般使用兩個途徑：第一是使輸入電壓和輸入電流同相位；第二是使輸入電流正弦化。所以，功率因數校正PFC，從實現方法上來講，就是使電網輸入電流波形完全跟隨電網輸入電壓波形，便得輸入電流波形為正弦波，且和輸入電壓同相位。

功率因數校正技術大致可以分為無源和有源兩種。無源濾波主要由電容器和電感器用串聯或并聯來組成，主要用來濾除固定頻率的諧波，它具有價格低廉及適應范圍廣的優點，但是它的缺點是體積大，對于復雜的諧波無法有效地濾除，嚴重時還可能導致諧振，會破壞系統的應用。有源功率因數校正主要是在整流濾波和DC/DC功率級之間串入一個有源PFC作為前置級，用于提高功率因數和實現DC/DC級輸入的預穩。有源濾波器體積小，質量輕，輸入阻抗高，輸出阻抗低，因而具有良好的隔離性能，各級之間均無匹配要求，同時能有效地過濾各次諧波，是目前諧波冶理的主要方式。本文采取的就是有源濾波的方法來治理計算機電源中的諧波和電磁干擾。

3 有源因數校正方法在計算機電源中的應用

功率因數校正技術的目的從本質上來講是要使用電設備的輸入端口針對交流電網呈現“純阻性”，使輸入電流與輸入電壓始終成正比。要用APFC技術來實現這一目的，原則上都必須用電感和電容組成一定的LC拓撲網絡結構，同時利用功率開關管的開啟和關斷特性，使LC網絡在不同的拓撲結構之間來回變化——即功率開關管在開啟時LC網絡為一種拓撲結構，而功率開關管在關斷時LC網絡為另外一種拓撲結構。這樣，當LC網絡在不同的拓撲結構之間來回變化時，一方面可以實現能量的傳輸(DC-DC轉換)，另一方面可以實現對輸入電流的控制(使輸入電流與輸入電壓始終成正比)，以實現功率因數校正的目的[1]。

有源功率因數校正技術按照不同的標準可以分為很多種，如果按電網供電的方式，可以分為單相及三相的APFC電路；如果按照主電路的拓撲結構劃分，可分為降壓型(BUCK)、升壓型(BOOST)、升降壓型(BUCK-BOOST)等；按軟開關特性劃分，可分為零電流開關(ZCS)和零電壓開關(ZVS)APFC技術；如果按控制方法劃分，可以分為PWM控制、PFM控制、單環電壓反饋控制、雙環電流模式控制、單周期控制等。

為了提高電路控制的精確性，并針對于計算機工作電壓較小，直流電多等特征，本文采取基于DSP的并聯有源電力濾波器來進行諧波的治理。系統總體構成如圖1所示。

圖1 系統構成框圖

系統主要包括四個部分，分別為諧波電流檢測電路、有源電力濾波器主電路、諧波電流檢測電路、補償電流控制電路和驅動保護電路。系統采集計算機上的電流進行檢測，將檢測到的計算機上電流ib1、ib2、ib3，送入DSP中進行指令電流計算，采用基于瞬時無功功率的ip-iq實時檢測算法，從而得出補償電流的大小。此時將有源電力濾波器主電路的電流ic1、ic2、ic3檢測出后也送入DSP中，將其與DSP計算出來的補償指令電流進行對比，從而得到驅動信號PWM信號。把PWM信號傳入驅動電路，經過調整后進入到有源電力濾波器的主電路開始驅動開關管工作，將補償的電流注回電網，從而完成消除諧波和補償無功功率。

4 結語

隨著電子行業的不斷發展，開關電源在電子行業中發揮著越來越重要的作用。所以，高性能的開關電源自然成為電源領域研究的熱點。

本文在廣泛了解計算機當中開關電源的相關內容的基礎上，深入研究了計算機電源的基本原理及相關技術，重點分析了計算機電源功率因數校正技術，并在此基礎上利用有源濾波器構造出了基于DSP的因數校正電路。該電路能夠有效地根據實際計算機電源的運行狀況產生補償電流，對消除諧波和補償無功功率能起到重要的作用。

[1]吳磊.基于有源功率因數校正與軟開關技術的開關電源的設計[D].武漢：武漢理工大學，2011：16-19.

[2]羅安.電網諧波治理和無功補償技術及裝備[M]．北京：中國電力出版社，2006:41-47.

[3]陳小勇.基于DSP的并聯有源電力濾波器的研究[D]．南京：南京理工大學，2008：54-58.